車載雷達(dá)不落地模式快速標(biāo)校方法

徐曉煜

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710065)

0 引言

為提高精密跟蹤測(cè)量雷達(dá)跟蹤測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，任務(wù)前一般要進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)校，通過標(biāo)定得到系統(tǒng)誤差修正系數(shù)，減少雷達(dá)測(cè)量時(shí)的系統(tǒng)誤差[1]。

對(duì)于車載式雷達(dá)來講，既要求能快速轉(zhuǎn)移，又要能快速拆裝，特別是能夠快速裝配，恢復(fù)天線精度，具備工作能力。由于車載雷達(dá)在野外執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不具備進(jìn)行常規(guī)標(biāo)校的條件，一套快速有效的應(yīng)急標(biāo)校方法，對(duì)于車載雷達(dá)不落地測(cè)量模式就顯得尤為重要。

本文以車載雷達(dá)不落地測(cè)量模式為例，采用雙GPS及載波相位差分技術(shù)進(jìn)行零值誤差標(biāo)定，以自動(dòng)調(diào)平技術(shù)及自動(dòng)化測(cè)試進(jìn)行大盤不水平標(biāo)定，獲取誤差修正參數(shù)，提高雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量精度。

1 零值誤差標(biāo)定

1.1 角度零值標(biāo)定

由于應(yīng)急任務(wù)采用不落地的工作模式，不具備建立大地標(biāo)校方位標(biāo)的條件。因此，方位、俯仰角度零值即成為了標(biāo)校工作中的重點(diǎn)。

一般我們會(huì)在具備零值標(biāo)定的場(chǎng)地首先對(duì)雷達(dá)天線的方位、俯仰零值進(jìn)行標(biāo)定，并將其寫為編碼器角度。車載雷達(dá)到野外進(jìn)行任務(wù)時(shí)，由于車體位置發(fā)生變化，會(huì)引起天線車航向角的變化。因此，方位零值標(biāo)定的主要工作在于標(biāo)定天線車體的航向角。俯仰零值的變化主要是由于大盤不水平引起的俯仰誤差，在進(jìn)行大盤不水平的標(biāo)定后，可以通過大盤不水平引起的俯仰誤差這個(gè)誤差項(xiàng)抵消。

本文采用雙GPS天線定位定向系統(tǒng)來確定天線車的航向角。系統(tǒng)由兩個(gè)GNSS接收單元、兩個(gè)測(cè)量天線和以嵌入式處理器為核心的計(jì)算處理單元(模塊)組成。通過兩個(gè)測(cè)量天線接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)，利用動(dòng)基線載波相位差分技術(shù)，能精確解算出兩個(gè)GPS天線位置信息，兩者相對(duì)位置信息及兩天線相位中心連線與真北之間的夾角[2]。

我們選用市場(chǎng)上常規(guī)的GPS天線為測(cè)量型天線，配置標(biāo)準(zhǔn)的饋線與天線在阻抗、增益、放大倍數(shù)等方面與標(biāo)配的天線有很好的匹配，GPS天線實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 GPS天線實(shí)物圖

將兩個(gè)GPS天線分別旋擰到兩個(gè)磁基座上并分別固定擺放在測(cè)試載體的前進(jìn)方向和后退方向上，盡可能的將其安置于測(cè)試載體的最高處以保證能夠接收到良好的GPS信號(hào)，同時(shí)要保證兩個(gè)GPS天線相位中心形成的連線與測(cè)試載體中心軸線方向一致或平行。安裝方式如圖2所示。

圖2 天線安裝示意圖

分別將兩根天線饋線連接到前后GPS天線和主機(jī)單元“ANT1”和“ANT2”接口上，并注意前、后天線的一致對(duì)應(yīng)(“前天線”接口對(duì)應(yīng)連接擺放在被測(cè)載體前進(jìn)方向的天線，“后天線”接口對(duì)應(yīng)連接擺放在被測(cè)載體后退方向的天線)。

本方案中兩個(gè)GPS天線的安裝基線為10 m，通過標(biāo)校消除安裝基線與天線方位角的安裝誤差，定向精度能夠達(dá)到0.03°。如條件許可，盡量設(shè)計(jì)足夠長(zhǎng)的安裝基線，可獲得更高的定向精度。

1.2 距離零值

雷達(dá)的距離零值時(shí)指發(fā)射信道和接收信道及距離跟蹤回路的時(shí)延所產(chǎn)生的零值，雷達(dá)實(shí)測(cè)距離應(yīng)扣除上述總時(shí)延。距離零值的標(biāo)校通常采用反射式或應(yīng)答式方法。應(yīng)答式標(biāo)校距離零值，將應(yīng)答機(jī)置于校準(zhǔn)塔上進(jìn)行[3]。雷達(dá)的距離零值R0為

R0=Rc-Rtra-Rr

(1)

其中，Rc為雷達(dá)天線自動(dòng)跟蹤校準(zhǔn)塔上應(yīng)答機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)測(cè)出的距離值；Rtra用事先測(cè)定應(yīng)答機(jī)和應(yīng)答機(jī)至應(yīng)答機(jī)天線饋線的時(shí)延值，計(jì)算出該時(shí)延對(duì)應(yīng)的距離值；Rr用大地測(cè)量精確測(cè)定雷達(dá)天線中心至校準(zhǔn)塔上應(yīng)答機(jī)天線中心的距離。

本文采用RTK技術(shù)測(cè)定雷達(dá)天線三軸中心至牽引車綜合標(biāo)校架上電標(biāo)中心的距離，以此作為大地測(cè)量距離Rr，再利用雷達(dá)跟蹤綜合標(biāo)校架上的信標(biāo)，得到Rc和Rtra，即可解算得到雷達(dá)的距離零值R0。

RTK(Real Time Kinematic)是以載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位的技術(shù)。其原理是將位于基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)發(fā)送出去，而位于附近的移動(dòng)站GPS接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)的同時(shí)，也接收來自基準(zhǔn)站的信號(hào)，通過對(duì)所收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，給出移動(dòng)站的三維坐標(biāo)[4]。

本文利用RTK測(cè)量，配置兩臺(tái)GPS接收機(jī)，一臺(tái)固定安放在天線車上，作為基準(zhǔn)站使用；另外一臺(tái)安裝在牽引車綜合標(biāo)校架上，作為移動(dòng)站進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量。兩臺(tái)接收機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信鏈，實(shí)時(shí)將基準(zhǔn)站上的觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)站。車載站RTK測(cè)距原理如圖3所示。

圖3 車載站RTK測(cè)距原理圖

利用嵌入在基準(zhǔn)站接收機(jī)中的RTK軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，包括衛(wèi)星信號(hào)、基準(zhǔn)站及移動(dòng)站的信號(hào)，可解算出兩觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。并根據(jù)兩觀測(cè)點(diǎn)的安裝位置分別到天線三軸中心與標(biāo)校架電標(biāo)中心位置之間的距離，即可解算得到雷達(dá)天線三軸中心到標(biāo)校架電標(biāo)中心的距離Rr，其解算結(jié)果的精度可達(dá)到厘米級(jí)。對(duì)于雷達(dá)米級(jí)的測(cè)距精度，可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足使用要求。

2 軸系誤差標(biāo)定

雷達(dá)天線軸系誤差主要包括天線座(大盤)不水平、俯仰軸與方位軸不正交、電軸與機(jī)械軸不重合等[5]。車載式雷達(dá)一般先在陣地進(jìn)行了落地工作模式的標(biāo)校工作，車載雷達(dá)轉(zhuǎn)場(chǎng)后，只需對(duì)有變化的誤差項(xiàng)進(jìn)行標(biāo)定。因此，車載式雷達(dá)不落地工作模式只需對(duì)天線座進(jìn)行調(diào)平即可。

大盤不水平會(huì)引起雷達(dá)天線方位角和俯仰角誤差。天線座調(diào)平主要通過天線車自動(dòng)調(diào)平單元將天線座調(diào)平到30″范圍內(nèi)，然后利用安裝在天線座上的電子水平儀對(duì)天線大盤不水平進(jìn)行測(cè)試。

2.1 天線座自動(dòng)調(diào)平

為了適應(yīng)快速展收的需要，將車體快速調(diào)平，天線座采用自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。通過電子水平儀采集誤差信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，通過動(dòng)力源并經(jīng)減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支撐腿垂直伸縮運(yùn)動(dòng)，同時(shí)垂直方向的運(yùn)動(dòng)采用自鎖式螺旋運(yùn)動(dòng)，可將天線車快速穩(wěn)定的在5 min以內(nèi)調(diào)平至30″內(nèi)。調(diào)平控制面板見圖4所示。

圖4 雷達(dá)天線掛車調(diào)平控制面板

自動(dòng)調(diào)平顯示系統(tǒng)如圖5所示，天線車調(diào)平過程如下：

1)車體到位，調(diào)平控制系統(tǒng)加電準(zhǔn)備工作；

2)控制支撐腿的垂直馬達(dá)，并帶動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的絲杠運(yùn)動(dòng)，將車體撐離地面；

3)由車體電子水平儀給出水平信號(hào)，控制調(diào)平系統(tǒng)將車體自動(dòng)調(diào)平至30″內(nèi)；

4)四個(gè)支撐腿調(diào)平系統(tǒng)的機(jī)械鎖自動(dòng)鎖定。

圖5 自動(dòng)調(diào)平顯示系統(tǒng)

2.2 大盤不水平自動(dòng)測(cè)試

完成車體調(diào)平后，對(duì)天線座大盤不水平進(jìn)行測(cè)試，獲得誤差修正參數(shù)。大盤不水平標(biāo)?？梢酝ㄟ^安裝在天線座上的電子水平儀和ACU軟件控制進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。電子水平儀與ACU通過串口連接，通過ACU軟件自動(dòng)控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到天線座最大傾斜量θm和最大傾斜方向的方位角Am。

本車安裝的是一款全溫補(bǔ)高精度單軸傾角儀，其優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性,能在-40～85℃的寬溫環(huán)境中保持較高的測(cè)量精度、更適合長(zhǎng)期野外設(shè)備的監(jiān)測(cè)與調(diào)平。傾角儀具有卓越的系統(tǒng)集成性，安裝簡(jiǎn)單，抗外界電磁干擾能力強(qiáng)、承受沖擊震動(dòng)能力強(qiáng)。傾角儀模型圖如圖6所示。

圖6 傾角儀模型圖

傾角儀利用地球重力原理，當(dāng)傾角單元傾斜時(shí)，地球重力在相應(yīng)的擺錘上會(huì)產(chǎn)生重力的分量，相應(yīng)的電容量會(huì)變化。電容量通過系統(tǒng)內(nèi)置高精度A/D差分轉(zhuǎn)換器，同時(shí)通過5階濾波算法，從而可以測(cè)量傳感器輸出相對(duì)于水平面的傾斜角度。輸出接口通過RS422接口與ACU相連接。

自動(dòng)測(cè)試時(shí)通過ACU軟件自動(dòng)測(cè)試流程，旋轉(zhuǎn)天線方位軸，天線每轉(zhuǎn)動(dòng)約30°，利用ACU自動(dòng)錄取電子水平儀讀數(shù)βi和相應(yīng)的天線方位角度Ai，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。天線座大盤不水平自動(dòng)測(cè)試流程如圖7所示。

圖7 天線座大盤車不水平測(cè)試流程

按公式(2)～公式(4)計(jì)算方位轉(zhuǎn)盤最大傾斜量θm和最大傾斜方向的方位角Am。

1)計(jì)算水平儀讀數(shù)的平均值為

(2)

2)最大不水平角θM及其方位角AM為

(3)

(4)

經(jīng)過以上測(cè)試及計(jì)算，即可得到天線座大盤不水平的測(cè)試結(jié)果。

3 誤差修正

經(jīng)過以上標(biāo)校過程，已完成雷達(dá)轉(zhuǎn)場(chǎng)架設(shè)可能引起的主要誤差修正項(xiàng)的處理。其它誤差修正項(xiàng)如定向靈敏度、光機(jī)偏差、光電偏差等項(xiàng)目，可利用雷達(dá)對(duì)牽引車綜合標(biāo)校架進(jìn)行檢查。根據(jù)以上標(biāo)校參數(shù)，按照公式(5)、公式(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正即可。

A真值=A測(cè)量值-(C1-C3tanEcosAcosC4-

C3tanEsinAsinC4+C5tanE-C6secE)

(5)

E真值=E測(cè)量值-(C2+C3sinAcosC4-

C3cosAsinC4+C7cosE+C8tanE)

(6)

式(5)及式(6)中：

C1-方位角編碼器零值誤差；

C2-俯仰角編碼器零值誤差；

C3-方位軸傾斜誤差；

C4-方位軸傾斜方向；

C5-俯仰軸與方位軸的不正交誤差；

C6-電軸與俯仰軸的不正交誤差；

C7-天線重力下垂誤差；

C8-大氣折射修正后的殘差。

ACU軟件已具備數(shù)據(jù)修正功能，只需將誤差修正參數(shù)寫入數(shù)據(jù)修正模塊，即可完成測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)修正。

4 結(jié)束語

上述快速標(biāo)校方法已在某車載雷達(dá)系統(tǒng)中成功應(yīng)用，通過以上標(biāo)校過程，得到雷達(dá)的誤差修正參數(shù)，使雷達(dá)系統(tǒng)快速具備參加試驗(yàn)任務(wù)能力。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，車載雷達(dá)在不落地工作模式應(yīng)急測(cè)量時(shí)，使用以上快速標(biāo)校方法，可簡(jiǎn)單快捷的獲取雷達(dá)天線的誤差修正參數(shù)，任務(wù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，可獲得較高的跟蹤測(cè)量精度。